智能化煤礦建設是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。近年來，隨著煤炭產(chǎn)業(yè)集中度大幅提高，煤炭生產(chǎn)也加快推進從機械化到自動化、信息化的跨越，煤礦智能化建設基礎不斷夯實。

隨著智能化發(fā)展加快推進，如何真正實現(xiàn)煤礦無人化開采的問題提上日程。智能手機有安卓操作系統(tǒng)，機器人有ROS操作系統(tǒng)，數(shù)控機床有FANUC操作系統(tǒng)，而未來智采工作面還沒有一套包容所有智能終端的操作系統(tǒng)，這是智能采煤的軟件“技術(shù)短板”。

記者近日從中國礦業(yè)大學（北京）獲悉，中國礦業(yè)大學（北京）校長葛世榮團隊提出了數(shù)字孿生智采工作面技術(shù)架構(gòu)，致力于進一步提高煤礦井下智能化采煤工作面系統(tǒng)集成度和自主交互能力，形成一個智采操作系統(tǒng)。

智能化開采是變革和跨越

從普通機械化開采發(fā)展到綜合機械化開采后，煤炭開采又要經(jīng)歷從網(wǎng)絡化、數(shù)字化到智能化的轉(zhuǎn)變。網(wǎng)絡化解決了通訊問題，數(shù)字化解決了數(shù)據(jù)的采集和控制問題，智能化將解決哪些問題？

在葛世榮看來，智能化是利用信息感知、人工智能的先進技術(shù)，使機器具備自主感知、學習、分析、推理、決策和執(zhí)行人類的智能活動；煤礦智能化的核心技術(shù)，是將高級的人工智能用到采礦過程和裝備上，形成無人化的運行或操作。

毫無疑問，煤炭生產(chǎn)技術(shù)革命已經(jīng)對煤礦提出智能化、安全化、綠色化、低碳化新要求。該研究團隊指出，智能化煤礦將逐漸經(jīng)歷從人工知識表達到學習，從數(shù)據(jù)處理到認知、學習、推理，從追求智能機器到人機、腦機協(xié)調(diào)融合，從聚焦個體智能到群體智能，從擬人化機器人向自主化機器人發(fā)展的轉(zhuǎn)變。

葛世榮認為，智采工作面和綜采工作面有本質(zhì)區(qū)別，智能化開采不是綜合機械化開采的改進，而是變革，甚至是跨越。

“華為、蘋果手機有將數(shù)據(jù)、應用、平臺等統(tǒng)一起來針對用戶交互服務的操作系統(tǒng)，機器人、機床，以及煤礦現(xiàn)有采煤機、支架、運輸機等也都有自身操作系統(tǒng)，但智能化煤礦目前還缺一個操作系統(tǒng)?！比绾伟压ぷ髅?、采煤機、支架、刮板運輸機和災害監(jiān)控系統(tǒng)等聯(lián)合起來？他指出，“如果用數(shù)字孿生智采系統(tǒng)將這些操作統(tǒng)籌起來，每個設備、每個環(huán)節(jié)的智能終端只要接入這個系統(tǒng)，按需求獲取數(shù)據(jù)傳輸和控制服務就可以了?！?/span>

實際與虛擬同比例呈現(xiàn)

什么是數(shù)字孿生？如何用數(shù)字孿生構(gòu)建智能化煤礦的操作系統(tǒng)，又如何理解數(shù)字孿生智能采煤工作面？

據(jù)葛世榮介紹，數(shù)字孿生是數(shù)據(jù)表征的數(shù)字化、數(shù)據(jù)交互的可視化和融合起來的智能化?！皩嶋H上，虛擬現(xiàn)實就是最初級的數(shù)字孿生。數(shù)字孿生用在采煤工作面上，就像一面數(shù)字化鏡子，將工作面的實際情況和數(shù)字工作面的虛擬情況1:1呈現(xiàn)出來，既包含物理空間信息也出現(xiàn)采煤運行狀態(tài)信息。”所以，數(shù)字孿生必須依賴數(shù)字信息和虛擬孿生這兩個關(guān)鍵要素。

據(jù)悉，目前我國煤礦井下的操作艙、集中監(jiān)控系統(tǒng)等已具備了數(shù)字孿生的基本概念，能對采煤機組進行啟停、狀態(tài)監(jiān)控，設有全自動運行模式和半自動運行模式。但有待進一步提高數(shù)據(jù)流的整合、運用和控制能力，形成有執(zhí)行、反饋、數(shù)據(jù)匯集及分析優(yōu)化等功能的閉環(huán)系統(tǒng)。

針對設備互聯(lián)度不夠高、信息互通性不夠強、人機交互性不夠好等問題，面向智采工作面應用場景創(chuàng)新，需將無人駕駛、集群協(xié)作的物理智采工作面和遠程監(jiān)控、虛擬運行的數(shù)字智采工作面形成數(shù)據(jù)和信息之間交互。

此外，該團隊相關(guān)負責人指出，智采工作面的智能仿生特性也將助力數(shù)字孿生應用。機器、集群“軀干”構(gòu)成物流模塊；感知、運算“大腦”形成信息模塊；5G通信、泛在網(wǎng)“神經(jīng)”組成通信模塊；調(diào)姿、調(diào)力“腦肌”是控制模塊；另外，具象、映射“映像”為孿生模塊。對于智能裝備而言，通過構(gòu)造數(shù)字孿生體，不僅能高度逼真地反映機器實體的特征、運行和性能，還能以超現(xiàn)實的形式實現(xiàn)機器狀態(tài)監(jiān)測評估和健康管理。

實現(xiàn)一網(wǎng)五智一平臺融入

記者進一步了解到，葛世榮團隊提出的數(shù)字孿生智采工作面新系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、云計算等新技術(shù)融于智采工作面，創(chuàng)建出一個精確地虛擬智采工作面的模型，實現(xiàn)智采工作面生產(chǎn)、管理的高度數(shù)字化及模塊化，為未來自主運行提供新平臺，將有助于提升當前智采工作面的自主感知和優(yōu)化調(diào)控能力。

“智能礦山核心要素是一網(wǎng)、五智、一平臺。”葛世榮進一步指出，礦山物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)等構(gòu)建一個智采物聯(lián)網(wǎng)，地質(zhì)、掘進、開采、運輸、安監(jiān)五大系統(tǒng)要實現(xiàn)高級智能化，最終它們?nèi)谌霐?shù)字孿生系統(tǒng)搭建的數(shù)據(jù)流處理、分析、反饋和調(diào)控平臺。

據(jù)悉，該團隊已準備在中煤集團王家?guī)X煤礦進行探索研究，制定了基于數(shù)字孿生的智采工作面技術(shù)方案。上述負責人介紹，他們構(gòu)建了物理空間智采工作面數(shù)字孿生模型，將基于5G+AI技術(shù)，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字孿生智能監(jiān)控。目前，還需要解決智采工作面數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)流智能匯聚、礦山設備故障預知、多模態(tài)人機交互等關(guān)鍵技術(shù)問題。

葛世榮指出，智能采煤工作面的路還很長，一定要從實際出發(fā)，不能一個模式，也不能一蹴而就，需要一步步探索，一點點實現(xiàn)突破。